“墨子號”：夜空中最會保密的“星”

“墨子號”：夜空中最會保密的“星”

8月16日凌晨，伴隨著世界首顆量子科學實驗衛星在酒泉圓滿發射成功，中國人的“飛天”夢想再次綻放，從此，浩瀚星空里也多了一份屬于中國和世界的“量子”牽掛。

8月16日1時40分，備受矚目的以“墨子號”命名的全球首顆量子科學實驗衛星在酒泉成功發射升空。“墨子號”量子衛星成為浩瀚夜空中最亮的“星”，開啟為期兩年的太空科學旅程。

星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學實驗任務是“墨子號”量子衛星的主要任務。業內人士指出，此次發射任務的圓滿成功，將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。有媒體稱，在這場“特殊的太空競賽”中，中國“邁出了一大步”。

科學之路任重道遠，量子世界迷霧重重，“第一顆量子衛星”的頭銜來之不易。從最初的研制到發射，量子衛星承載了太多關注的目光與期許。那么，這顆舉世矚目的“新星”到底有多牛？技術實現難度又有多高？

信息安全的“終極武器”

量子科學對絕大多數人來說十分高冷。但當它與信息技術相連，就與我們每個人息息相關。當今社會，信息的海量傳播背后也充斥著信息泄露的風險。而量子科學則為信息安全提供了“終極武器”。

在物理王國里，量子理論是一個“百歲的幽靈”，愛因斯坦也曾被它的“詭異”所困擾。在量子世界中，一個物體可以同時處在多個位置，一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態上；所有物體都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；兩個處于“糾纏態”的粒子，即使相距遙遠也具有“心電感應”，一個發生變化，另一個會瞬時發生相應改變……

正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇妙特性，才構成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和測不準的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發送者察覺并規避。

“傳統的信息安全都依賴于復雜的算法，只要計算能力足夠強大，再復雜的保密算法都能被破解。量子通信能做到絕對安全，是由量子自身的特性所決定的，計算能力再強也破解不了，因此它是革命性的，可從根本上、永久性解決信息安全問題。”量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士說。

潘建偉形象地比喻，量子通信的基本特征就是利用微光世界的最小單元，比如15瓦的燈泡，每秒都會發射一些能量，如果用放大鏡來看它是由小顆粒組成，大概每秒鐘可以釋放百億個小顆粒。如果在量子通信中將這種小顆粒用來做信號，就不能被分割成半個小顆粒，就像水分子一樣，不能分成1/2個水分子。

量子保密通信能從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主仆”身份能自動確認，只有“主人”才能使喚“仆人”，而其他人無法指揮“仆人”。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。

“四種武器”挑戰四大實驗任務

8月17日，中科院遙感與數字地球研究所所屬中國遙感衛星地面站密云站，在第二十三圈次成功跟蹤、接收到了量子衛星“墨子號”的首軌數據。“墨子號”首軌任務時長約7分鐘，接收到的數據量約為202MB，經驗證，衛星數據質量良好。

據悉，“墨子號”量子衛星上搭載了自主研發的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。同時，在地面建設了科學應用系統，包括1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿里量子隱形傳態實驗平臺。

這顆量子衛星的壽命為兩年，將完成四大任務：星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗和地星量子隱形傳態實驗。

潘建偉介紹，實驗大致分為三類：第一類是進行衛星和地面之間的量子密鑰分發，實現天地之間的安全通信；第二類相當于把量子實驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論；第三類是實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸。

但要完成“作業”并不輕松。目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛星的研制沒有任何經驗可循，過程充滿了困難和挑戰。

天地一體化連通：從太空向地面存錢罐扔硬幣

在量子通信中，最大的難點在于如何實現天地一體化的量子聯通。這就好比在太空往地面的一個存錢罐里扔硬幣，需要準確地將硬幣投擲于儲蓄罐的狹小入口。如果出現一點偏差，信息的傳遞便會功虧一簣。

“量子的編碼就像計算機編碼0101一樣，有正負、垂直、水平等不同狀態，要把量子的偏振方向檢測出來，才能變成密碼。”量子科學實驗衛星常務副總設計師、衛星總指揮王建宇介紹，量子里面有兩組狀態，一組是正交的，一組是傾斜45度的，所以，一共有四個不同的偏正狀態。

不僅如此，地面上的“存錢罐”（接收裝置）和天空中的“投擲者”（量子衛星）也不安分，它們都在不停地旋轉運動。

“這就是瞄準和檢測偏正的最大難度所在，我們要在雙方都處于運動狀態的情況下完成信息傳遞。”王建宇強調，稍微對不上都不行，如果這樣，地面上收到的就是誤碼。

據王建宇介紹，一旦誤碼率高于3.5%，信息傳輸就沒有意義。“3.5%是個底線，通常我們會把誤碼率控制在1%至2%之間。”

探測器靈敏度：在地球上看到月球的火柴光

如果說從太空向地面存錢罐扔硬幣已經讓人咋舌，那接下來的技術則更讓人驚嘆。

量子衛星采用的是單光子探測器，目的是實現對每一個光子的捕捉。這是一個什么概念？

“一個60瓦的燈泡每秒發射的光子數大約是1021，而一根火柴的最大光亮大約是3瓦至5瓦。”王建宇說，量子衛星探測器靈敏度相當于在月球上點根火柴，我們在地球上用望遠鏡可以看到它的亮光。

如果考慮到火柴點燃后光的擴散效應，其觀測難度可想而知。“探測器的靈敏度必須達到這種程度，才能捕獲來自太空中的一顆顆光子。否則，天上的量子衛星就沒有存在的意義了。”王建宇說。

時間同步設置：一秒鐘給一億個光子排排隊

在太空中，量子衛星每秒鐘大約向地面發射一億個光子，需要地面接收裝置對所有光子進行接收。然而，這個接收過程并非來者不拒，而是要講究先來后到。

“我們必須知道每個光子是第幾個發出來，信息傳遞要求發送端和接收端能對得上，要有一個完整的序列。”王建宇說。

將光子們一一對接的辦法就是時間同步。“我們現在的接收頻率能做到一個納秒，也就是在一秒鐘之內，把一億個光子全都排列好。”王建宇介紹。

為何取名為“墨子”

對于很多人來說，量子科學非常神秘，而世界首顆量子科學實驗衛星命名為“墨子號”也讓很多人迷惑不解——墨子不是先秦諸子百家中墨家的創始人嗎，他跟量子有什么關系？

“墨子號”之得名，是為了紀念墨子在早期物理光學方面的成就，他最早提出過光線沿直線傳播的觀點，進行了小孔成像實驗。“關于這顆衛星的命名，我們考慮了好久。”潘建偉說，最終命名為“墨子號”，緣起于已故著名教育家、中國科學技術大學教授錢臨照。

錢臨照作為老一輩光學、科技史研究者，早年對墨家經典著作《墨經》有過深入研究，他對《墨經》的研究發現被英國學者李約瑟獲悉，后者對此驚嘆不已。錢臨照發現《墨經》中有不少與現代科學知識相通的記載，比如墨子在《墨經》中提出的“光學八條”。

“墨家邏輯是全球三大古老邏輯體系之一，而邏輯體系是科學的基礎。”潘建偉說，墨子在兩千多年前就發現了光線沿直線傳播，并設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。

墨子的貢獻還遠不止于此，用一代宗師、中國思想史研究專家楊向奎先生的話來說：“墨子在自然學上的成就，絕不低于古希臘的科學家和哲學家，甚至高于他們。他個人的成就就等于整個希臘。”

“就像國外有伽利略衛星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代偉大科學先賢的名字來命名全球首顆量子衛星，將提升我國的文化自信。”潘建偉說。

“量子星群”引領量子互聯網時代

據專家介紹，量子衛星發射后，天地一體化量子科學實驗系統將投入正式運行，而“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網工程預計今年下半年交付。

“大規模推廣量子通信應用后，將極大提高人們信息傳輸的私密性和安全性。”潘建偉說，建好“量子互聯網”后，人們不用再擔心任何信息泄露，從而避免惡意攻擊和欺詐行為。

信息安全從根本上需要解決的就是傳輸內容不被別人知道、保證接收者是和發送者對話，以及信息不被篡改。潘建偉說，僅僅發射一顆衛星是不夠的，只有形成星座才能建構起網絡，而且需要地面配置相應基礎設施，確保網絡聯接到千家萬戶。

“比如，將來可以在手機中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰。”潘建偉描述了一幅未來場景，人們只需要將手機和量子密鑰分發機連接，就能實現保密通信。“要走到這一步，還需要對網絡基礎設施進行改造，制定通信標準等，有望10年至15年內實現。”

得益于這種絕對安全性，量子通信不僅可以應用于百姓日常通信，也可用于水、電、煤氣等能源供給和民生網絡基礎設施的通信保障，還可應用于國防、金融、商業等領域，勢必對產業界和科技界產生巨大變革。（本刊綜合）※

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“墨子號”大事記

2009年12月，空間科學先導專項參加戰略性先導科技專項實施方案評議會，并在16個建議專項中名列前三名。

2011年12月23日，量子科學實驗衛星工程啟動暨動員會在京召開，標志著量子科學實驗衛星正式進入工程研制階段。

2014年12月30日，量子科學實驗衛星通過初樣轉正樣階段評審，正式轉入正樣研制階段。

2015年12月6日，量子科學實驗衛星系統與科學應用系統完成星地光學對接試驗，驗證了天地一體化實驗系統能滿足科學目標的指標要求。

2016年2月25日，量子科學實驗衛星工程完成大系統聯試。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。